5 真实与想象

第14章 上天入地

关于空间与时间的实验

从阿格里琴托的恩培多克勒用土、空气、火和水解释宇宙到今天，人类对空间和时间的理解走过了漫长的旅程。我们所取得的很多成就，从牛顿理论到20世纪的革命性发现，都由于理论预言与实验结果的精确符合而得以验证。但时间推移到了20世纪80年代中期，我们似乎成了过去辉煌的受害者。在科学家们孜孜不倦的好奇心的驱动下，当代理论已进入实验技术无法触及的领域。

不过，实验学家们当然不会就此甘心，靠着勤奋和运气，他们找到了一些检验当代最前沿思想的方法，这些方法将在未来的几十年间付诸实践。我们在本章中将会看到，一些已经启动或正在计划中的实验将帮助我们弄清额外维度存在与否，暗物质和暗能量的组成，质量的起源与希格斯海，早期宇宙学的某些方面，超对称的相关内容，甚至弦论的真实性。所以，要是我们再有一点运气的话，一些在统一理论、空间与时间的性质以及宇宙的起源等方面富于想象力和革命性的思想将最终得以检验。

陷入困境的爱因斯坦

在为建立广义相对论而艰苦奋斗的那10年间，爱因斯坦从各种源头寻求灵感。其中，由18世纪的著名数学家卡尔·弗雷德里希·高斯、詹诺斯·波尔约、尼古拉·罗巴切夫斯基和格奥尔格·伯恩哈德·黎曼等人所创立的关于弯曲形状的数学带来的影响最为深远。我们在第3章曾经讨论过，欧内斯特·马赫的思想也曾为爱因斯坦带来过灵感。还记得马赫所提出的空间的关系概念吗？对于马赫来说，空间只是一种指定不同物体彼此之间的相对位置的语言，其本身并不是一种独立实体。起初，爱因斯坦是马赫观点的热情拥护者，因为在当时看来，马赫的观点最具相对论性。但是随着对广义相对论理解的加深，爱因斯坦认识到广义相对论与马赫观点并不能完全相容。根据广义相对论，在牛顿的那个在真空中旋转的桶中，水面会成凹陷状；这一点与马赫观点相矛盾，因为水面凹陷相当于暗示着绝对的加速概念。不过即使这样，广义相对论还是在很多方面同马赫的观点相一致，在未来的几年间，酝酿了差不多40年、造价高达5亿美元的实验将检验马赫原理中最著名的一个性质。

将在这个大型实验中研究的物理可以追溯到1918年。那一年，奥地利物理学家约瑟夫·兰斯和汉斯·塞林利用广义相对论证明：就像有质量的物体会使空间和时间弯曲——想想蹦床上的保龄球，旋转的物体也将拖曳其周围的空间（与时间）——这次你可以想想掉进果酱桶中的旋转石块。这一现象被称为框架曳引，我们来举个例子以说明这一现象。想象一个向着急速旋转的中子星或者黑洞自由下落的小行星，它会被卷入旋转空间的漩涡中，在其下落的过程中会被拖动着旋转，这种效应就是框架曳引。而这种效应之所以被称为框架曳引，是因为从小行星的角度看——从其参考系来看——它并没有被拖动旋转。不但没有旋转，小行星甚至是沿着空间格子按直线下落。但是由于空间形成了漩涡（如图14.1所示），格子变得扭曲，所以“直线下落”的概念和你以往在平直空间中形成的印象有所不同。

为了看清楚框架曳引效应和马赫原理之间的联系，让我们来试想一种由巨大的有质量的旋转空心球引起的框架曳引效应。1912年爱因斯坦（甚至在其完成广义相对论之前）首先进行了有关计算，1965年戴尔特·布里尔和杰弗里·科恩对爱因斯坦的讨论做了重要扩充，最后，1985年，德国物理学家赫伯特·菲斯特和K.布劳恩彻底完成了这一计算。这些物理学家的相关工作表明，空心球内部的空间会被旋转运动拖曳，形成漩涡状的旋动。如果被固定住的桶内装满了水——所谓的“固定住”指的是从远处的参考点看——并被放到这样的一个旋转空心球内，那么根据计算，旋转的空间会对处于静态的水施加力的作用，使水相对于桶旋转起来，水面凹陷下去。

这样的结果肯定会令马赫非常高兴。尽管他可能会不喜欢“旋转的”空间这样的说法——因为这样的术语将时空视作某种东西——但他肯定会对空间与桶之间的相对旋转运动导致水面形状改变非常满意。事实上，如果外壳具有足够大的质量，大到足以与整个宇宙的质量不相上下，那么根据计算可知，无论你将这一过程看作空心球绕着桶旋转，还是看作桶在空心球内旋转，都没有关系。正如马赫所主张的那样，唯一有关系的是两者之间的相对运动。我在上文中提到的这一计算没有用到除广义相对论之外的任何东西，所以它可算作爱因斯坦理论中一个具有明显的马赫性质的例子。（不过，根据标准的马赫式推理，在无限大的空宇宙中旋转的桶里，水面会保持平面不变；但是根据广义相对论所得出的结论则并非如此。菲斯特和布劳恩的计算告诉我们，质量足够大的旋转球面能够完全隔绝通常情况下球面外的空间所带来的影响。）

1960年，斯坦福大学的德莱奥纳德·席夫和美国国防部的乔治·普夫分别独立提出，框架曳引的广义相对论预言可以利用地球的自转实验检验。席夫和普夫认识到，在牛顿理论中，悬浮在高于地球表面的轨道上的回旋陀螺仪——连在一根轴上的旋转轮——会一直指向固定的方向。但是根据广义相对论，回旋陀螺仪的轴会由于地球的空间曳引而很轻微地旋转。与菲斯特和布劳恩的计算中用到的假想空心球相比，地球的质量非常之小，相应的，地球的旋转导致的框架曳引效应也非常之小。详细的计算表明，如果回旋陀螺仪的转动轴初始指向选定的参考星，一年之后，缓慢的空间旋转会使回旋陀螺仪的指向改变十万分之一度。这一度数大约是钟表上的秒针在两百万分之一秒中转过的角度，所以，这样的探测无疑是对当代科学技术及工程能力的巨大挑战。

经过40年的发展，产生了近百篇博士论文之后，由弗朗西斯·艾弗里特领导、NASA资助的斯坦福组已经准备启动这一实验，在未来的几年间，漂浮在400千米之外的太空中，装备着有史以来最稳定的回旋陀螺仪的引力探测器B卫星将开始探测由地球的自转导致的框架曳引效应。一旦这一实验取得成功，它将成为有史以来最精确的广义相对论实验，并为马赫效应带来第一个直接证据。该实验也可能探测到与广义相对论的预言有所偏离的结果，这种可能性也同样令人兴奋。如果真的得到这样的结果的话，广义相对论中这小小的不和谐之音将使我们初窥迄今未见的时空性质。

捕获波

广义相对论告诉我们的一件重要事情是质量和能量可以使时空结构发生蜷曲。我们在图3.10中曾展示过太阳周围的弯曲情况。但是，静态的图片不能说明所有的问题，它有一定局限性，因为静态图片不能告诉我们当质量和能量发生转移或者以某种方式改变其自身构成时，空间的蜷曲将如何演化。要是你非常老实地站在一张弹簧床上，弹簧床就会保持固定的弯曲形状；而一旦你开始乱蹦乱跳，弹簧床就会跟着上下起伏。广义相对论也能给出与此类似的预言，如果物质处于完美的静止状态，空间就会保持固定的蜷曲形状，如图3.10所示的那样；但是一旦物质运动起来，空间的结构就会有所起伏。爱因斯坦在1916—1918年间认识到这一点，就在那个时期，他利用时新的广义相对论方程证明——就像在广播天线上来来回回的电荷会产生电磁场一样（无线电波与电视信号就是这样产生的）——物质的猛烈涌动（比如超新星爆发）会导致引力波的产生。因为引力就是曲率，所以引力波就是曲率波。将一块鹅卵石投入池塘会激起层层涟漪，向外扩散，旋转的物质会导致向外传播的空间涟漪。根据广义相对论，遥远天际中的超新星爆发就像投入时空这片巨大的池塘中的鹅卵石一样，会激起层层涟漪，如图14.2所示。这张图展示了引力波与众不同的一个重要性质：不同于电磁波、声波和水波这些穿行于空间传播的波，引力波就通过空间自身传播。引力波传播的就是空间本身的扭曲波动。

尽管现在的人们已经把引力波当作广义相对论的预言接受了下来，但是，有关这一课题的研究一直含混不清，饱受争议。造成这种情况的部分原因在于有些人死守着马赫哲学不放。如果广义相对论与马赫的思想完全协调一致，那么“空间的几何”就只能算是一种可以很方便地表述一个有质量的物体相对于其他物体的位置与运动的语言。以这种方式思考的话，真空这一概念将意味着真正的空空如也，那么讨论真空本身的波动还有什么合理性呢？很多物理学家曾试图证明假想中的空间中的波只不过是对广义相对论的数学的一种曲解。但是，所有的理论分析最后总是归结到正确的结论：引力波是真实的，空间可以波动。

引力波的波峰波谷川流不息，在某一方向上拉伸空间——及其中的一切，再在另一垂直方向上压缩空间——及其中的一切。如图14.3所示。原则上，你可以通过反复测量多个不同位置之间的距离，发现这些距离之间的比率有所变化来探测到引力波。

但在实践中，没有人能够完成这样的任务，因而从未有人直接探测到引力波（即使这样，我们仍然有间接的有力证据支持引力波的存在）。这一实验的困难之处在于，经过的引力波所带来的空间扭曲效应太小。1945年7月16日在新墨西哥州的Trinity试爆的原子弹产生了相当于2万颗TNT炸药爆炸所产生的能量，所发出来的光异常强烈，以至于数千米之外的目击者仍需要带上护具以防止眼睛被原子弹产生出来的电磁波伤害。然而，即使你就站在放置原子弹的百英尺高铁塔之下，由爆炸所产生的引力波也仅仅会使你的身体拉伸不足原子直径的长度。引力波所带来的波动就是如此之弱，这无疑暗示着探测引力波是对技术能力的巨大挑战。（因为我们也可以将引力波看作数目巨大的引力子按同样的方式运动——就像电磁场是由数目很多的光子组成——所以引力波的影响之弱也暗示着探测到单个引力子非常困难。）

当然，我们感兴趣的并不是探测到原子弹爆炸所产生的引力波。但即便我们感兴趣的是能量要大得多的天体源产生的引力波，要探测到其存在也并非易事。天体源距离我们越近、质量越大，并且有关的运动能量越高、运动越猛烈，我们所接收到的引力波就将越强。但是，就算在10000光年远的距离上有一颗恒星变成了超新星，传到地球上的引力波的强度也就只能使1米长的杆拉伸千万亿分之一厘米——大约只是原子核尺度的百分之一。所以，除非在距离我们相对近些的位置上发生了某种出人意料的超大规模天体物理事件，否则的话，我们就只能通过发展能够探测在难以置信的小尺度上的尺寸变化的实验装置才能探测到引力波。

设计并建造了激光干涉仪引力波探测器（LIGO）（由美国国家科学基金出资，加利福尼亚理工学院和麻省理工学院联合运作）的科学家们接受了这一挑战。LIGO受人瞩目，具有令人难以相信的精度。它由两个空心管组成，每一个有4千米长，1米多宽，这两个管排成巨大的L形。激光在每一个管内的真空通道中同时照射，并被高度抛光的镜子反射，人们就用这样的装置高精度地测量相对长度。这一装置的设计思想在于，经过的引力波会使某一根管子相对于另一根有所拉伸，一旦这种拉伸足够大，科学家们就能探测到引力波的存在。

这样的管子之所以要造得很长是因为引力波带来的拉伸和压缩具有累加性。也就是说，如果引力波能把某个长4米的东西拉伸10-20米，那么它就同时能把另一个4千米长的东西拉伸10-17米。因而，探测的空间间隔越长，测得其长度发生改变就越容易。为了能够更好地利用这一点，LIGO实验实际上是让激光束在置于每根管子相反两端的镜子之间来来回回地反射上百次，这样可以利用每束激光实际探测大约800千米的长度。有了这样聪明的技巧和先进的工程技术，LIGO有能力探测到管中如人类头发丝的万亿分之一的长度——原子的亿分之一——上的改变。

对了，这样的L形装置实际上有两个。一个坐落于美国路易斯安那州的利文斯顿，另一个位于2000千米之外华盛顿州的汉福德。远方的天体物理喧嚣通过引力波使地球感受到的时候，会带给两个探测器相同的影响，我们在一个探测器上看到的引力波应该与在另一个探测器上看到的一样。用两台探测器进行这样的交叉检验非常有必要，因为即使人们采用了种种手段屏蔽探测器，那些生活中常见的振动（比如卡车通过时的隆隆声，链锯的嗡嗡声，轰然倒下的大树，如此等等）还是有可能会冒充引力波。而要求相隔很远的两个探测器上得到相同的结果则会排除掉这些可能的错误信息。

对于包括超新星爆发、非球形中子星的旋转运动，以及两个黑洞之间的碰撞在内的一大类可能产生引力波的天体现象，研究人员们都仔细计算了其引力波的频率——每秒钟内通过探测器的波峰波谷数。没有这些信息的话，实验家们就是在大海捞针；有了这些信息的话，实验家们就可以将他们的探测器聚焦到物理上感兴趣的波段。严格来讲，计算表明某些引力波的频率在每秒几千次左右；这些波要是声波的话，那它们就在人类的听觉范围内。中子星听起来就像音调急速升高的叽喳声一样，而一对碰撞的黑洞听起来则像被风当胸猛吹的麻雀发出的颤音一样。振荡于空间结构中的引力波就像丛林中的杂音一样，如果一切按计划进行，LIGO将是第一件能够收听这些声音的器具。

使这一切如此令人激动的原因在于，引力波最大程度地展现了引力的两个主要性质：弱与无处不在。在所有的4种力中，引力与物质的相互作用最为微弱。正是这一点使得引力波能够穿过光无法通过的物质，使得我们能够触及以前隐藏起来的天体物理领域。而且，因为万物都受引力掌控（其他的力则并非如此，比如电磁力就只对带电物体有作用），所以世间的一切都有可能产生引力波以及可观测的信号。在这种意义上，LIGO可算是人类探索宇宙的转折点。

曾几何时，人类只能大睁双眼，仰望星空。17世纪，汉斯·利伯希和伽利略改变了一切；在望远镜的帮助下，宇宙的广阔景象进入了人类的视野。很快，人类就认识到可见光只是整个电磁波段中很窄的一块。20世纪，在红外线、无线电、X射线以及伽马射线望远镜的帮助下，宇宙在我们的眼前变得焕然一新，我们看到了用肉眼不能看到的波段处的宇宙景象。现在，21世纪到了，天空的疆域在我们的面前再一次扩大了。利用LIGO及其未来的升级版，我们将能以一种全新的方式重新审视宇宙。我们没有使用电磁波，而是使用了引力波；没有利用电磁力，而是利用了引力。

为了更好地体会这种新技术可能带来的革命性进展，我们可以想象有一群外星世界的科学家刚刚知道了如何探测电磁波——光，他们还在思考这一发现在短期内将如何改变他们对宇宙的认识。我们也正好处在第一次探测到引力波的前夜，与那些外星科学家所处的情况很类似。我们仰望这个宇宙已经几千年了，现在，人类有史以来第一次得到了聆听它的机会。

寻找额外维度

1996年之前，在大部分将额外维度的想法纳入其中的理论模型中，额外维度的尺度都是普朗克量级的（即10-33厘米）。这样的量级比当前实验可能触及的区域小了足足17个量级，如果技术上没有什么奇迹发生的话，普朗克尺度上的物理不可能进入我们的研究领域。但是如果额外维度很“大”，大于万亿亿（10-20）分之一米——大约是原子核尺度的百万分之一，那么普朗克尺度上的物理就有可能成为我们的研究对象。

正如我们在第13章中讨论过的那样，如果有一些额外维度“非常大”——大到几微米的水平上——对引力强度的精确测量就将揭示它们的存在。这样的实验已经进行了几年，技术上也是日新月异。到目前为止，人们还没有发现偏离三维空间中平方反比率的迹象，研究人员正在进一步探索更小的尺度。一旦发现偏离的信号，物理学的基础将被猛烈撼动。这样的信号会提供只对引力开放的额外维度存在的坚实证据，并对膜世界机制和弦论或M理论提供强劲的间接证据。

如果额外维度不小，但又并不是非常大，那么精确的引力实验就可能探测不到它们的存在，但是其他的间接方法还有可能起作用。比如说，我们在前面的讨论中曾经提到过，额外维度的存在暗示着引力的内禀强度可能比之前认为的要大。引力在观测上的微弱性可能是由于引力部分渗透到了额外维度中导致的，而不是由于其本身微弱导致的；在很小的尺度上，引力还不能进入额外维度，引力可能很强。由此导致的其他推论姑且不提，单说产生小黑洞所需要的质量和能量，就有可能比之前在一个引力本身就很弱的宇宙中预计需要的能量少很多。在第13章中，我们曾经讨论了这样的微观黑洞在大型强子对撞机——现在正在瑞士的日内瓦建造中的粒子加速器，预计于2007年完工——上的高能质子—质子碰撞过程中产生的可能性。这样的前景激动人心。肯塔基大学的阿尔佛雷德·夏皮尔和加利福尼亚大学欧文分校的乔纳森·冯为我们带来了另一种令人兴奋的可能性。他们发现，宇宙线——穿过太空而来、连续地轰击着大气层的基本粒子束——也有可能导致微观黑洞的产生。

宇宙线粒子最初于1912年由奥地利科学家维克多·海斯发现。90多年过去了，关于宇宙线仍有很多未解之谜。每秒钟都会有大量的宇宙线进入大气层，并产生数以十亿计的次级粒子雨，这些次级粒子会顺利地穿过你我的身体，其中的一部分有可能被分布于这个星球上的各种专用探测器观测到。但是没有人能够完全知晓组成宇宙线的粒子究竟有哪些种类（虽然我们知道它们中的绝大部分是质子），我们仅仅知道宇宙线中的一部分高能粒子来自超新星的爆发。至于能量最高的那些宇宙线粒子究竟起源于何方，人们还没有什么好的想法。比方说，1991年10月15日，位于犹他州沙漠中的蝇眼宇宙线探测器观测到一个能量相当于300亿个质子质量的粒子划过天际。这一粒子所具有的能量如此巨大，几乎同马里亚诺·李维拉投出的快球中的单个亚原子粒子所具有的能量一样大，是大型强子对撞机（LHC）上产生的粒子的能量的1亿倍。这样的观测事实令人非常困惑，因为没有任何已知的天体物理过程能够产生如此高能量的粒子，实验学家们一直在用更加精确的探测器收集更多的数据以便解决这一谜题。

对于夏皮尔和冯来说，超高能宇宙线粒子究竟来自何方还不是最值得关注的问题。这两位物理学家认识到，不论这样的粒子来自哪里，只要微观水平上的引力远远强于人们以前所认为的程度，这些超高能宇宙线粒子就有能力在撞入高层大气的时候创造出一个小黑洞。

通过碰撞产生出来的这些小黑洞对实验学家们和大尺度上的世界完全无害。这些小黑洞一产生出来很快就会分解，随之放出大量具有某种特征的其他比较基本的粒子。事实上，微观黑洞非常短命，以至于实验学家们甚至没有办法直接探测到它们的存在；实验学家们只能通过仔细分析落到探测器上的微观黑洞粒子雨来发现蛛丝马迹。世界上最灵敏的宇宙线探测器，皮埃尔·奥格天文台——可观测的范围差不多有整个罗德岛那么大——正在阿根廷西部的大草原上建造。夏皮尔和冯估计，如果所有的额外维度都是10-14米那么大的话，那么只要收集一年的数据，奥格探测器就有可能发现由产生于高层大气的微观黑洞导致的特征粒子碎片。如果奥格探测器没有发现这样的微观黑洞信号，那么额外维度就必须更小。找到产生于宇宙线碰撞的微观黑洞的残留信息的概率当然很小，但一旦成功，就无疑为我们打开了第一扇能看得到额外维度、黑洞、弦论以及量子引力的窗户。

除了黑洞的产生，研究人员在未来的10年间还可以利用另外一个基于加速器的方法来寻找额外维度。有的时候，兜里的硬币悄悄地就不见了，怎么回事呢？因为硬币顺着兜中的漏洞跑到衣服的夹层中了。用加速器来发现额外维度这一方法的核心思想就是复杂版的“跑到夹层中了”。

能量守恒是物理学中的一条核心原理。尽管能量可以以多种形式存在——被球棒击飞的棒球因为运动而具有动能，因为向上飞行而具有重力势能，因为撞击地面和激发各种振动而具有声能和热能；但只要你把所有种类的能量全部算清楚，你就会发现过程结束时的总能量总是等于过程开始时的总能量。直到今天，人们还没有发现任何与这一完美的能量平衡定律相冲突的物理事件。

但是在考虑额外维度理论时，情况可能会有所不同。人们可能会在最新升级的费米实验室和即将运行的大型强子对撞机上的高能物理实验中发现一些破坏能量守恒的过程——碰撞结束时的能量少于碰撞开始时的能量的过程，不过，具体如何要看假想中的额外维度究竟有多大的尺寸。造成这种情况的原因有点类似于你弄丢的硬币：能量（引力子所具有的）也有可能钻到缝隙中——微小的额外空间——从而导致计算能量的时候会少掉一部分。这种“丢失能量信号”的可能性以另一种方式告诉我们，宇宙的结构所具有的复杂性远超我们的直接所见。

必须承认，我对额外维度的理论稍有些偏心。毕竟，我在这一领域奋斗的时间已经超过15年了，额外维度的某些方面在我心中占有特殊地位。不过，即使承认了我的偏心，我还是要说：我很难想象出有什么发现比找到超出了我们所有人都熟悉的三维的额外维度的证据更令人兴奋了。在我心目中，眼下还没有什么其他重要想法的实验验证能够如此彻底地震撼物理学的基础，能够使我们必须去质疑基本层面上看起来不证自明的真实性原理。

希格斯、超对称，还有弦论

近来，人们之所以要升级费米实验室的加速器和建造庞大的大型强子对撞机，并不仅仅是出于探索未知的科学好奇心以及发现额外维度的考虑，还有很多特殊的动机，其中之一就是找到希格斯粒子。我们在第9章中曾经讨论过，令人迷惑不解的希格斯粒子是希格斯场——物理上假想的场，其所形成的希格斯海能赋予其他种类的基本粒子以质量——的最小组成。当前的理论研究和实验进展都在向人们暗示，希格斯粒子的质量应该为质子质量的100—1000倍。如果希格斯粒子的质量就在这一范围的下限附近，那么费米实验室就有很大的机会在未来的几年内找到希格斯粒子。当然，如果费米实验室没能成功但是估算的质量范围还是正确的话，大型强子对撞机应该在10年之内产生大量的希格斯粒子。希格斯粒子——的发现将是一个里程碑式的成就，因为它将最终确认一种理论粒子——物理学家和宇宙学家在没有任何实验证据的情况下提出了几十年的粒子——的存在。

费米实验室和大型强子对撞机的另一个主要目标是发现超对称的证据。回忆一下第12章，我们曾经讨论过自旋相差1/2的超对称粒子对以及超对称的想法如何起源于20世纪70年代早期的弦论研究。如果真实世界真的具有超对称性，那么每种已知的自旋1/2的粒子都会有一种自旋0的超对称伴；每种已知的自旋1的粒子都会有一种自旋1/2的超对称伴。比如说，自旋1/2的电子会有一种自旋为0的伙伴，称为超对称电子（supersymmetric electron），或简称为超电子（selectron）；自旋1/2的夸克会有一种自旋为0的伙伴，称为超对称夸克（supersymmetric quarks），或简称为超夸克（squarks）；自旋1/2的中微子会有一种自旋为0的超中微子（sneutrino）相伴；对于自旋为1的胶子（gluon）、光子（photon）、W玻色子和Z玻色子来说，也分别有自旋1/2的gluinos、photinos、winos与zinos相伴（是的，物理学家们在命名上总有些偷懒）。

那么为什么没人探测到这些假想中的粒子呢？对此，物理学家们只能解释这些超对称粒子的质量比对应的已知粒子的质量大。理论分析表明，超对称粒子的质量可能是质子质量的1000倍左右，如果真是这样的话，实验上没有看到任何这些粒子的信号就不足为奇了——现有的原子对撞机没有足够的功率来制造出这些粒子。不过，这一现状将在接下来的10年间得以改变。首先，费米实验室最近升级的加速器就有可能发现超对称粒子。其次，就像前文关于希格斯的讨论一样，要是费米实验室没有发现超对称的证据，但之前的理论对超对称质量范围的估计非常准确的话，大型强子对撞机就应该能够制造出这些粒子。

超对称的实验验证将是最近这20多年间基本粒子物理领域最重大的进展。这一进展将使我们对于超出成功的粒子物理标准模型的新物理的理解更进一步，并且间接证实弦论至少没有在错误的轨道上前进。但请注意，它并不能证明弦论本身。虽然超对称是在发展弦论的过程中建立起来的，但是物理学家们早就认识到超对称是更具普遍性意义的原理，并且可以非常容易地纳入传统的点粒子物理方案中。超对称的实验验证虽然确立了弦论体系的一个重要组成部分并且会为下一步的研究指明方向，但它绝对不能算是弦论的信号。

另一方面，如果膜世界方案正确的话，即将到来的加速器实验就有能力验证弦论。我们在第13章已经简要地介绍过，要是膜世界方案中的额外维度大到10-16厘米的话，那么不仅引力要比以前认为的大，弦也比以前认为的要长得多。因为弦的长，度越长，硬度就会越小，振动弦所需要的能量也就会越小。在传统的弦论体系中，弦的振动模式所具有的能量超出了当代加速器最高能量的千万亿倍；而在膜世界方案中，弦的振动模式所具有的能量可能只有质子质量的一千倍。要真是这样的话，大型强子对撞机上的高能对撞就会像在钢琴里跳来跳去的高尔夫球一样，有足够多的能量弹奏出弦振动模式的多种音节。实验学家们将会发现大量的前所未见的新粒子——也就是大量的前所未见的弦的振动模式——这些新粒子对应着弦论中不同的谐振模式。

这些粒子的性质及其之间的关系将明白无误地告诉我们：它们都只是同一壮丽的宇宙乐章的一部分，它们虽不相同却是彼此相关的音符，它们都只是同一种物体——弦——的不同振动模式。在可预见的将来，膜世界方案将是弦论最可能被直接验证的一种方案。

宇宙的起源

我们已经在前面的章节中看到，宇宙微波背景辐射在20世纪60年代中期被发现后，就一直在宇宙学的研究中扮演着重要角色。原因很明显：当宇宙处于幼年的时候，空间中满是带电粒子——电子、质子，等等，这些带电粒子会由于电磁力的缘故而连续地辐射光子。到了大爆炸之后的30万年左右，宇宙逐渐冷却，电子和质子组成了电中性的原子。从这个时候开始，辐射就开始几乎不受干扰地在整个空间中穿行，从而为我们留下早期宇宙的快照。每立方米的空间中差不多有4亿个原初宇宙微波光子，它们就是早期宇宙留下的遗迹。

最早测得的宇宙微波背景辐射在温度上呈现出明显的均匀性。但正如我们在第11章中讨论过的那样，晚近的一些探测——最早的宇宙背景探测器（COBE）以及稍后的一系列更先进的探测器所做的一些探测——发现了一些温度细微改变的证据，如图14.4（a）所示。图中，不同的灰度标示着不同的数据，较亮的部分和较暗的部分之间的温度差一般在万分之几度左右；那些斑点表示的是天际中微小但不可忽略的温度变化。

COBE实验不但有了重大的发现，还从根本上改变了宇宙学研究的特点。COBE之前的宇宙学数据一般非常的粗糙。那个时候，一个宇宙学理论只要能够大体上符合天文学观测，就会使人们相信它。理论学家们可以在几乎不怎么需要理会观测限制的情况下抛出一个又一个理论，因为本来观测限制就少得可怜，仅有的几个又非常的不精确。但是COBE开启了一个新纪元，宇宙学理论要受到一系列标准的严格限制。现在，任何一个新提出的理论在被人们接受之前，先得成功地算出还在不断增加的大量精确的实验结果。2001年，由NASA和普林斯顿大学合资兴建的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）卫星开始以近乎COBE的40倍的分辨率和灵敏度测量微波背景辐射。将WMAP的最初结果[图14.4（b）]与COBE的结果[图14.4（a）]相对照，你就会立即看出WMAP能够画出的图究竟有多么精细。正在由欧洲空间局建造的另一颗卫星——普朗克——计划于2007年发射，如果一切按计划进行，普朗克卫星的分辨率将达到WMAP的10倍左右。

大量精确实验数据的出现结束了宇宙学研究中良莠不齐的局面，暴胀理论成了主要的理论候选者。但是，我们在第10章曾经提到过，暴胀理论并不是只有一个版本。理论学家们已经提出了很多个不同版本的暴胀理论（旧暴胀理论、新暴胀理论、暖暴胀理论、混合暴胀理论、超暴胀理论、援暴胀理论、永暴胀理论、扩充暴胀理论、混沌暴胀理论、双暴胀理论、弱标度暴胀理论、超自然暴胀理论、要知道这些还不是全部），每一种版本都具有标志性的短时间急速膨胀爆发阶段，但是在细节上又各不相同（场的数目或势能的形状有所不同，以及究竟是哪一种场位于势能最低的位置等区别）。这些理论中的差别导致了在预言微波背景辐射性质时候的区别（具有不同能量的不同场有些微不同的量子涨落）。通过与WMAP和普朗克卫星所得到的实验数据相比较，我们可以排除很多种理论上的可能性，使我们对宇宙的理解更进一步。

事实上，我们可以利用实验数据来为宇宙学研究领域进一步瘦身。尽管被暴胀膨胀放大的量子波动可以为观测到的温度变化提供一个合理的解释，但是暴胀理论还是有一个竞争者。我们在第13章讲过的由斯坦哈特和塔洛克提出的循环宇宙模型就是另一种可能的理论候选者。当循环宇宙模型中的两个3膜彼此相对靠近的时候，量子涨落会使不同的部分以些微不同的速率彼此接近。当这两片3膜在差不多3万亿年后最终撞在一起的时候，膜上的不同位置会在不同的时刻彼此碰撞，就像两张粗糙的砂纸拍在一起那样。两片膜没能够完美地均匀接触导致了每一片膜不能完美地均匀演化。而我们已经假定这两片膜中的一片就是我们的三维空间，所以膜的非完美均匀演化就是我们能够探测到的不均匀性。斯坦哈特、塔洛克及其合作者提出，这种不均匀性导致的温度变化可以与暴胀理论所预言的温度变化具有相同的形式；因此，只用我们现在所拥有的数据的话，我们没法区分循环宇宙模型与暴胀理论的宇宙学预言，两者都能解释当前的实验观测。

不过，在未来的10多年里，越来越多的精细数据有可能将两种方法区分开。在暴胀理论的框架下，被指数膨胀放大的并不只有暴胀子场的量子涨落，还有空间结构中的微小量子波纹。因为空间中的波纹不是别的，正是引力波（参见我们关于LIGO的有关讨论），所以暴胀理论预言早在宇宙的最初时刻就有引力波产生。我们一般将这种引力波称为原初引力波，以区分于晚近时期由于猛烈的天体物理现象而产生的引力波。而在循环宇宙模型中则正好相反。在这一模型中，对均匀性的偏离是慢慢建立起来的，整个过程所用掉的时间长得不可想象，这是因为两片膜要花差不多3万亿年的时间才能碰撞一次。膜的几何结构和空间的几何结构并没有迅速改变，这意味着根本就不会出现空间波纹。因而，循环宇宙模型根本就没有预言原初引力波的存在。所以，一旦原初引力波被实验验证，那就意味着暴胀理论又取得了一次重大胜利，而循环宇宙模型则被实验排除。

LIGO的灵敏度很有可能无法探测到暴胀理论所预言的引力波，但是建造中的普朗克卫星和另一个卫星实验——宇宙微波背景偏振实验（CMBpol）——则有可能从实验验证这一预言。这两个实验，特别是CMBpol，所关注的并不仅仅是微波背景辐射的温度变化，还会测量偏振——所探测到的微波光子的平均自旋方向。详细解释起来会涉及一连串的相关知识，所以我们在这里只是简单地说一下：来自大爆炸的引力波可能会在微波背景辐射的偏振中留下某种印记，而这种印记可能大到足以被实验发现的程度。

所以，10年之内，我们就可能会搞清楚究竟是真的有大爆炸这么一回事呢，还是我们所熟悉的宇宙实际上是一张3膜。在这个宇宙学的黄金年代，即使一些最疯狂的想法也得到了用实验检验的机会。

暗物质、暗能量以及宇宙的未来

我们曾在第10章中了解到：大量的理论和观测证据表明，宇宙的组成中只有5%是我们熟悉的物质——质子和中子（电子在普通物质中所占的份额少于0.5%），25%是所谓的暗物质，而另外的70%是暗能量。但是，物理学家们仍然没能搞清楚这些暗物质和暗能量究竟是些什么。很自然，人们首先会猜想暗物质也是由质子和中子组成的，只不过以某种特殊的方式组合在一起，没有形成发光的星体。然而，理论上的原因使得这样的猜想不可能正确。

通过精细的实验观测，天文学家很清楚整个宇宙中到处都是的轻的核元素——氢，氦，氘，锂——的平均相对丰度。物理学家们相信这些轻核通过某一过程形成于宇宙的最初几分钟，理论计算这种形成过程得到的结果与实验观测符合得非常好。理论和实验的这一精确符合是现代理论宇宙学的重大成就之一。但是，这种理论计算首先假定暗物质不是由质子和中子组成的；如果暗物质是由质子和中子组成的话，那么在宇宙的尺度上，质子和中子就会成为宇宙的主要构成物质，这样一来实验观测就将理论排除掉了。

那么，如果组成暗物质的不是质子和中子，又是什么呢？直到今天，虽然人们提出了大量的可能性，可是还没有人能够真正解决这个问题。从轴子到zino的很多名字都被人们拿出来当暗物质的候选者，毫无疑问，任何一位回答出这一问题的科学家必将被请到斯德哥尔摩一游。人们还未曾探测到哪怕是一个暗物质粒子，这一事实对暗物质的候选者们提出了很强的限制。这是因为暗物质并不只存在于外太空，它们遍布于整个宇宙，也会存在于你我的身边。关于暗物质的很多理论都会告诉我们，每秒钟都会有数以10亿计的暗物质粒子穿过你我的身体，因而可能的暗物质候选者必须得是那些穿过物质但不留下痕迹的粒子。

中微子可算是一种可能性。计算表明，大爆炸产生出来的中微子的残留丰度大约是每立方米5500万，只要3种中微子中能有一种重达质子质量的一亿分之一（10-8），它们就能够被当作暗物质的候选者。尽管近来的实验已经获得了中微子具有质量的有力证据，但是测得的中微子质量实在太小，是所需要的程度的差不多100分之一，所以中微子很难是暗物质。

另一个比较有希望的提议与超对称粒子——特别是photino, zino以及higgsino（分别是光子、Z玻色子和希格斯粒子的超对称伴）——有关。上述的这些粒子是超对称粒子家族中最冷漠的一些家伙，它们常常可以在几乎不受影响的情况下毫无声息地穿过地球，使得我们很难追寻到它们的踪影。通过计算在大爆炸过程中到底产生了多少这样的粒子以及存活到今天的还有多少，物理学家们估算出这些粒子的质量应该在质子质量的100—1000倍之间，只有这样它们才能充当暗物质。这是一个非常诱人的结果，因为人们在完全不考虑暗物质和宇宙学的情况下，单从超对称粒子模型和超弦的各种研究中得出的相关粒子质量范围也是这么大。两类研究的结果交汇到了一起，这样的事情只有在暗物质就是由超对称粒子构成的情况下才能说得通。因而，我们也可以把在世界上现有的和即将启用的加速器上寻找超对称粒子看作寻找可能性很高的暗物质候选者。

直接探测穿越地球而过的暗物质粒子的实验也进行一段时间了。毫无疑问，这样的实验极具挑战性。每秒钟，在1/4平方米的面积上大约会穿过100万个暗物质粒子；但即使这样，每天能在专为暗物质而设计的探测器上留下痕迹的暗物质粒子一般不会超过一个。到目前为止，人们还没能成功地探测到暗物质粒子。既然暗物质还没有使任何人获得诺贝尔奖，实验学家们当然会更加努力迎难而上。在未来的几年间，暗物质的身份很有可能最终得以确认。

暗物质存在的最终确认及其身份的直接认证将是科学上的重大进步。人类将有史以来第一次搞清如此基本却又难以捉摸的东西：宇宙的主要物质组成。

正如我们在第10章中看到的那样，近来的实验数据强烈地向我们暗示，即使暗物质的身份得以确认，有关宇宙内容的版图中仍有一大块尚需实验检验：对超新星的观测提供了一些证据——宇宙中70%的能量可用一种具有外推作用的宇宙常数来说明。作为过去10年间最令人激动并且最出乎意料的发现，宇宙常数——充塞于空间的能量——的证据还需要更为严格的检验。为此，人们已经想出了很多的办法，一些还在计划之中，而另一些已经启动。

微波背景辐射实验也要扮演非常重要的角色。图14.4中的斑点——每一个斑点代表的是温度相同的一块区域——反映的是空间结构的整体形状。如果空间的形状像球一样，比如说像图8.6（a）所示的那样，向外的膨胀就会使斑点变得比图14.4（b）中的大一点；如果空间的形状像图8.6（c）所示的那种马鞍面，向内的收缩就会使斑点变小一点；如果空间的形状像图8.6（b）所示的一样是平面，斑点就有可能变大也有可能变小。由COBE首先进行，WMAP进一步改善的精确测量强有力地支持了空间是平坦的这一主张。这样的测量结果不仅与暴胀模型的理论预言相吻合，也与超新星的观测结果完美吻合。我们已经知道，宇宙的空间平坦意味着总质量或总能量密度等于临界密度。这样一来，普通物质和暗物质一共占宇宙总密度的30%，暗能量再贡献了余下的70%，一切就都和谐一致了。对超新星结果的进一步直接确认是超新星加速探测器（SNAP）的目标之一。由劳伦斯·伯克利实验室的科学家们设计的SNAP是一台随卫星轨道运动的望远镜，它将观测的超新星数目是目前已研究过的数目的近20倍。SNAP不仅能确认早前的观测结果——即宇宙的70%为暗能量，还将更加精确地测定暗能量的性质。

你瞧，虽然我把暗能量描述成了爱因斯坦宇宙常数的另一个版本——恒定不变地推动着空间膨胀的能量——但还是有另一种密切相关却有所不同的可能性。还记得我们有关暴胀宇宙学的讨论吗（那只四处蹦的青蛙）？某个场在其场值高于最低能量时可以像宇宙常数一样，驱使空间加速膨胀，不过这样的过程仅能持续一小段时间。这个场迟早会回归到其势能碗的最低位置，向外的推力也随之消失。在暴胀宇宙学中，这个过程发生于短短的一瞬间。但要是引入一种新的场并小心地选取其势能形状，物理学家们就有办法使加速膨胀变得不那么猛烈但更加持久，这样的话，该场就可以在跌回到最低能量位置之前，以相对较慢但持久的外推力驱动空间加速膨胀很长时间——长达几十亿年。这样的想法引出了另一种可能，即，我们有可能正在经历极度柔和版的暴胀膨胀——且有理由相信这一膨胀过程开始于宇宙的最初时刻。

真实的宇宙常数与后一种可能性——即所谓的精质（quintessence）——之间的区别对于今天来讲并不重要，但从长远来说却对宇宙影响深远。宇宙常数是一个常数，它使得宇宙可以永不停息地加速膨胀。在宇宙常数的作用下，宇宙的膨胀会变得越来越快，宇宙的疆域也会越来越辽阔，同时，宇宙也变得更加稀薄、荒凉。但是由精质导致的膨胀会在某个时刻之后慢慢终结，与永远加速膨胀的宇宙相比，这样的宇宙拥有一个不那么荒凉的未来。通过测量空间加速度在长时间间隔的变化（通过观测不同远近——也就是不同时间——的超新星来进行这种测量），SNAP将有可能得以辨别这两种可能性。一旦SNAP为我们解开暗能量是否真的就是宇宙常数这一谜题，我们就有机会洞察宇宙未来的命运。

空间、时间以及猜想

探索空间和时间性质的旅程漫长遥远，其间满是各种惊奇，而且毫无疑问，人类在这一旅程中仍处于起步阶段。在过去的几个世纪里，人类经历了一个又一个重大突破，这些突破以激进的方式一次又一次地改变了我们关于空间和时间的概念。我们在这本书中所讨论的理论和实验进展代表着我们这一代物理学家们对这些概念的梳理，并且很有可能就是我们科学遗产的主要部分。在第16章中，我们将要讨论一些最新的带有猜想性质的进展。通过这样的讨论，我们或许可以看一看人类探索旅程的下一步可能通向何方。但是首先，我们将在第15章中想想另外一些不同的方向。

科学发展没有确定的模式，历史一再告诉我们，思想上的突破通常是通往技术手段的第一步。人类在19世纪理解了电磁力，正是这一理解使我们最终拥有了电报、无线电和电视。有了电磁的相关知识，再加上稍后人类对量子力学的理解，我们又拥有了计算机、激光，以及种种数不胜数的电子器件。对核力的理解既使人类得到了有史以来最强大的危险武器，也使人类有希望在未来的某一天只靠大量的盐水就能满足整个世界的能源需求。我们对空间和时间的深入理解会不会也只是类似的技术发展模式的第一步呢？我们有没有可能在未来的某一天了解时间和空间的奥妙，利用我们的相关知识实现一些现今只能出现在科幻故事中的构思呢？

没有人知道，但是我们可以一起看看我们已经有了些什么以及哪些神奇的构思有可能在未来的某一天得以实现。